Структура ДНК
В начале 1950-х годов идентичность генетического материала все еще оставалась предметом дискуссий. Открытие спиральной структуры двухцепочечной ДНК решило этот вопрос и навсегда изменило биологию.
25 апреля 1953 года Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик объявили 1 в Nature, что они «хотят предложить» структуру ДНК . В статье объемом чуть больше страницы с одной диаграммой (рис. 1) они изменили будущее биологии и подарили миру икону - двойную спираль. Сразу осознав, что их структура предполагает «возможный механизм копирования генетического материала», они запустили процесс, который в течение следующего десятилетия приведет к взлому генетического кода, а через 50 лет - к полной последовательности. генома человека.
До этого времени биологам еще предстояло убедиться в том, что генетический материал действительно является ДНК; белки казались лучшим выбором. Однако доказательства наличия ДНК уже были доступны. В 1944 году канадско-американский медицинский исследователь Освальд Эйвери и его коллеги показали 2, что перенос ДНК от вирулентного штамма бактерии к невирулентному штамму придает вирулентность последнему. А в 1952 году биологи Альфред Херши и Марта Чейз опубликовали доказательства 3 того, что фаговые вирусы заражают бактерии путем инъекции вирусной ДНК.
Уотсон, 23-летний генетик из США, осенью 1951 года прибыл в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета, Великобритания. Он был убежден, что природа гена является ключевой проблемой в биологии, и что ключ к ее пониманию. ген был ДНК. Кавендиш был физической лабораторией, но в нем также располагалось подразделение Совета медицинских исследований по исследованию молекулярной структуры биологических систем, возглавляемое химиком Максом Перуцем. Группа Перуца использовала рентгеновскую кристаллографию, чтобы разгадать структуру белков гемоглобина и миоглобина. В его команду входил 35-летний аспирант, который бросил физику и переучился на биологию и который был намного счастливее разрабатывать теоретические выводы результатов других людей, чем проводить свои собственные эксперименты: Фрэнсис Крик. В Крике Уотсон нашел верного союзника в своей одержимости ДНК.
Однако ДНК была проектом Мориса Уилкинса из Королевского колледжа Лондона. Крик был другом Уилкинса, и в лабораториях не принято было соревноваться за одну и ту же молекулу. Более того, опытный рентгеновский кристаллограф Розалинда Франклин только что взяла на себя экспериментальную работу над ДНК в King's. Из-за непонимания их относительных ролей отношения Франклина с Уилкинсом были холодными.
Ничто из этого не остановило Уотсона и Крика от размышлений о том, как компоненты молекулы ДНК - четыре нуклеотидных основания аденин, гуанин, тимин и цитозин, связанные с основой из сахаров и фосфатов, - могут собираться в волокна. Они думали, что спираль была вероятным вариантом: американский химик Линус Полинг и его коллеги только что продемонстрировали 4, что пептидные цепи образуют α-спирали. Сам Крик был соавтором статьи по теории дифракции рентгеновских лучей на спиралях 5 . В конце 1951 года он и Ватсон объединили эту теорию с тем, что они знали о химии ДНК и что они помнили из бесед Уилкинса и Франклина, чтобы построить модель структуры ДНК.
Они ошиблись: Уилкинс и Франклин быстро его снесли. Глава Кавендиш Лоуренс Брэгг пришел в ярость и запретил Ватсону и Крику проводить дальнейшие исследования ДНК. Но затем, в феврале 1952 года, команда Кавендиша получила от Полинга рукопись, содержащую модель ДНК. Это было неправильно, но Уотсон и Крик были встревожены тем, что Полинг потенциально близок к решению.
На этот раз Брэгг согласился, что они могут попытаться добраться туда первыми. Франклин вскоре переехал в Биркбек-колледж в Лондоне и оставил работу над ДНК Уилкинсу. Она и ее аспирант Рэймонд Гослинг подарили Уилкинсу фотографию дифракционной рентгенограммы, созданной B-формой ДНК. Ватсон пошел к Уилкинсу, который показал ему фотографию, без ведома Франклина и Гослинга.
Теперь знаменитая «Фотография 51» вместе с другими неопубликованными данными Франклина, которые Перуц показал Уотсону и Крику, рассказала паре, что ДНК действительно образует спираль и что структура состоит из двух цепей, идущих в противоположных направлениях. Однако Уотсон был озадачен тем, как базы могут сочетаться между собой. Он сделал картонные вырезы оснований, пытаясь совместить их вместе, но ничего не вышло.
Его коллега Джерри Донохью затем указал, что он использовал молекулярные структуры енольных изомеров оснований, которые не могут образовывать водородные связи, необходимые для спаривания оснований. После того, как Уотсон вырезал альтернативные изомеры кето, он получил ослепляющее открытие: когда гуанин связывается с цитозином, он принимает форму, идентичную форме аденина, связанного с тимином, и что эти формы идеально вписываются в спиральную структуру, обеспечиваемую остовами. каждой цепи ДНК. Это объяснило открытие биохимика Эрвина Чаргаффа о том, что ДНК любого вида содержит такое же количество гуанина, что и цитозин, и аденина, что и тимин 6 . Он также показал, что каждая цепь ДНК в спирали обеспечивает идеальный шаблон для другой, считывая последовательность оснований в противоположных направлениях.
В считанные дни Уотсон и Крик построили новую модель ДНК из металлических частей. Уилкинс сразу же согласился с тем, что это было правильно. Две группы договорились, что они опубликуют три статьи одновременно в журнале Nature , при этом исследователи Кинга будут комментировать соответствие структуры Ватсона и Крика экспериментальным данным, а Франклин и Гослинг впервые публикуют фотографию 51 ( 7 , 8) .
Пара из Кембриджа признала в своей статье, что им известна «общая природа неопубликованных экспериментальных результатов и идей» сотрудников Кинга, но только в 1968 году была опубликована «Двойная спираль» , взрывной отчет Уотсона об открытии. стало ясно, как они получили доступ к этим результатам. Франклин умер от рака десять лет назад; ее смерть помешала ей разделить Нобелевскую премию, присужденную Уотсону, Крику и Уилкинсу в 1962 году.
Непосредственное восприятие модели двойной спирали было неожиданно приглушенным 9 , возможно, потому, что не было очевидного механизма, объясняющего ее роль в синтезе белка. В знаменательном выступлении в 1957 году Крик предположил, что последовательность оснований кодирует последовательность аминокислот в белке, и что в производстве белка участвует РНК как в качестве матрицы, так и в качестве «адаптера», который позволяет аминокислотам присоединяться друг к другу. в правильном порядке. Он также поддержал предложение, первоначально сделанное физиком Джорджем Гамовым неофициально для членов «RNA Tie Club», созванного Гамовым и Ватсоном, но также независимо предложенное биологом Сиднеем Бреннером 10.- что триплеты оснований (которые Бреннер назвал кодонами) кодируют 20 аминокислот, обычно встречающихся в белках. Наконец, Крик изложил то, что он назвал «центральной догмой» биологии: информация может передаваться от нуклеиновых кислот к белкам, но не наоборот 11 .
Эти прогнозы были подтверждены экспериментом в ближайшие несколько лет. В 1958 году биохимики Мэтью Мезельсон и Франклин Шталь показали, что одна цепь ДНК действует как матрица для образования новой цепи 12 . В том же году Артур Корнберг и его коллеги опубликовали открытие фермента ДНК-полимеразы 13 , который добавляет основания к вновь образующимся цепям. Информационная РНК, транспортная РНК и рибосомная РНК были быстро идентифицированы.
В 1961 году Маршалл Ниренберг и Генрих Маттеи первыми взломали часть генетического кода, продемонстрировав, что бактериальные экстракты синтезируют только фенилаланин аминокислоты из РНК, которая содержит только один тип основания 14 РНК (урацил; U). В том же году Крик, его незаменимый специалист-женщина Лесли Барнетт и их коллеги сообщили об исследованиях мутаций, которые подтвердили существование триплетного кода 15 и, следовательно, предположили, что кодоном для фенилаланина был UUU. Гонка по идентификации полного набора кодонов была завершена к 1966 году, когда Хар Гобинд Хорана внес последовательности оснований в нескольких кодонах из своих экспериментов с синтетическими полинуклеотидами (см. Go.nature.com/2hebk3k ).
С публикацией Фреда Сэнгера и его коллег 16 эффективного метода секвенирования ДНК в 1977 году открылся путь для полного считывания генетической информации любого вида. Задача для генома человека была выполнена к 2003 году, что стало еще одной вехой в истории ДНК.
Уотсон посвятил большую часть своей карьеры образованию и научному администрированию в качестве главы лаборатории Колд-Спринг-Харбор в Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк, и (кратко) в качестве первого главы Национального центра исследования генома человека США, ныне действующего Национальный институт исследования генома человека. Всегда откровенный, он был в конечном итоге отстранен от своей почетной должности в Колд-Спринг-Харбор, когда неоднократно высказывал противоречивые мнения о генетике, расе и интеллекте.
Крик продолжал решать сложные научные проблемы, переехав в 1977 году из Кембриджа в Институт Солка в Ла-Хойя, Калифорния, где он провел остаток своей жизни, работая над нейронной основой сознания 17. и, в частности, зрительного восприятия. Он умер в 2004 году в возрасте 88 лет.
Двойная спираль поставила генетику на физическую основу, которая прольет свет почти на все аспекты современной биологии и медицины. Примеры включают миграцию человеческих популяций на протяжении истории; экология и биоразнообразие; канцерогенные мутации в опухолях и их медикаментозное лечение; наблюдение за микробной лекарственной устойчивостью в больницах и среди населения мира; и диагностика и лечение редких врожденных заболеваний. Анализ ДНК давно используется в криминалистике, и исследования в области более футуристических приложений, таких как вычисления на основе ДНК, находятся на очень хорошем уровне.
Как ни парадоксально, культовая структура Уотсона и Крика также позволила признать недостатки центральной догмы с открытием малых РНК, которые могут регулировать экспрессию генов, и факторов окружающей среды, которые вызывают наследственные эпигенетические изменения. Несомненно, концепция двойной спирали будет и впредь лежать в основе открытий в биологии на протяжении десятилетий.